專利名稱：用于熱交換系數(shù)測定的裝置及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于用于測定熱交換系數(shù)的裝置及相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
在物理學(xué)領(lǐng)域中，了解在管件中流動的流體與管件壁間的熱交換系數(shù)，是計算流體與壁間熱交換的必要訊息。在工業(yè)領(lǐng)域中，熱交換系數(shù)在設(shè)計上常用于量度熱交換的表面以及計算流體傳送的熱功率量。在檢測中，了解熱交換系數(shù)可顯示故障的特征，例如干燥作用實例的顯現(xiàn)、孔穴的顯現(xiàn)，或非可凝氣體的存在。熱交換系數(shù)并非直接利用傳感器測量。為了測量熱交換系數(shù)，使用數(shù)學(xué)交換相關(guān)性模型(科卡伯恩(Colburn)、迪圖斯-貝爾特(Dittus-Bolter)或羅圣豪(Rosenhow)模型)，所述的數(shù)學(xué)交換相關(guān)性模型要求了解流體的若干特性，舉例來說，例如速度、黏度、溫
fiF絕絕 /又寸寸。在利用相關(guān)性模型獲得熱交換系數(shù)中存在的困難性或不可能性，被顯現(xiàn)于許多工業(yè)應(yīng)用中，舉例而言，例如當(dāng)一壁面對可導(dǎo)致干燥作用的流體旋渦時，例如具有極大溫度差異(熱疲勞)的湍動流體的摻合物、非可凝氣體的存在、奇異點的存在。本發(fā)明的用于測量熱交換系數(shù)的裝置及相關(guān)方法以特別有利的方式應(yīng)對交換相關(guān)性模型所不適用的工業(yè)應(yīng)用。利用內(nèi)部有流體流動的管件測量熱流的系統(tǒng)，在本發(fā)明的一般技術(shù)背景中也是已知的，其中管件中有流體流。然而，這些系統(tǒng)并非用于測定熱交換系數(shù)的系統(tǒng)。法國專禾Ij申請案 FR 2 266 869，發(fā)明名稱為「Appareil de me sure de 1 ‘encrassement d'une surface metallique acourant de liquid(禾用液體、流須|J量金屬表面污染物的裝置)」，揭露此種系統(tǒng)。其中將希望用于測量表面污染物的金屬部件插入管件壁內(nèi)，使被污染的金屬表面與在管件中循環(huán)的液體接觸，且使位在被污染表面對面的金屬表面與加熱該部件的加熱電阻器接觸。兩個溫度傳感器被定位于金屬部件中，一個靠近加熱電阻器且另一個靠近液體，將一個第三傳感器定位在液體中，靠近表面。定位在金屬部件中的兩個溫度傳感器，測量存在于遍及金屬部件全部厚度的溫度差，由此顯示通過加熱電阻器增加熱能的特征。定位于液體中的溫度傳感器測量接近金屬表面的液體的溫度。污染物的熱電阻且因而污染物本身是由金屬部件與流體間的溫度測量值差異推衍而來。此類裝置并非熱交換系數(shù)裝置。實際上，熱交換系數(shù)被被動地測量，也就是說，沒有任何干擾測量的熱的外部添加。除此之外，進(jìn)行的測量有關(guān)金屬部件整個表面的污染物。因此獲得金屬部件整個表面的完整測量，而非局部測量。在此種測量系統(tǒng)中，熟習(xí)此技術(shù)人士了解到，關(guān)于各種傳感器的位置，重要的是a)定位在金屬部件中的兩個測量傳感器都在與金屬部件厚度平行的軸上，是盡可能地遠(yuǎn)離(因為一個測量傳感器必須靠近加熱電阻器且另一個測量傳感器必須靠近被污染表面)，以及b)定位在液體中的測量傳感器是靠近被污染表面。因此所得的測量并非局部測量，而是完整測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明關(guān)于一種裝置，用于在與流體接觸的壁表面的點1\測定流體與壁間熱交換系數(shù)，所述裝置的特征在于包括一溫度測量裝置，其包括兩個壁溫傳感器，其中第一溫度傳感器測量在點P1的壁第一溫度值Ta，且第二溫度傳感器測量在點P2的壁第二溫度值τ。2，該點P2在與點處表面垂直的直線上大致與點 P1對齊且其中點P1較靠近壁表面，以及一流體溫度傳感器，測量在大致與點P1及P2對齊的流體的點Pf的流體溫度值TF， 以及一計算器，其包括第一手段，用于自溫度值Ta及T。2計算壁的溫度值Tp及由下述方程式獲得的熱流 Φ Φ = -λ grad(Tci-Tc2)，其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)，及第二手段，用于自流體溫度TF、溫度Tp及熱流Φ計算以下述形式表示的熱交換系數(shù)h = Φ/(Tf-Tp) ο溫度Tp是例如根據(jù)以使用每一瞬時測定的流動為基礎(chǔ)的逆解法(reverse method)來計算。此方法是出現(xiàn)在標(biāo)題為「受到溫度差距大的二種流體產(chǎn)生的湍流影響的 T 型混合管中的熱負(fù)荷測定(THERMAL LOAD DETERMINATION IN THE MIXING TEE IMPACTED BY A TURBULENT FLOW GENERATED BY TWO FLUIDS AT LARGE GAP OF TEMPERATURE)」的文獻(xiàn)中(Olivier Braillard, Yvon Jarny, Guillaume Balmigere ；第 13 屆核工禾呈國際會議； 北京；中國；2005 年 5 月 16 至 20 日；ICONE 13-50361)。根據(jù)本發(fā)明的另一個特征，所述溫度測量裝置包括第三壁溫傳感器，其測量在大致與點Pi、P2及Pf對齊的點P3的壁第三溫度Tc3，其中點P3比點P2更遠(yuǎn)離點IV本發(fā)明亦關(guān)于一種在與流體接觸的壁表面的點測定流體與壁間熱交換系數(shù)的方法，其特征在于包括測量在點P1的壁第一溫度值Tci，測量在點P2的壁第二溫度值TC2，所述點P2在與點處表面垂直的直線上大致與點P1對齊，其中點P1最靠近壁表面，測量大致與點P1及P2對齊的流體的點Pf的流體溫度值TF，
由溫度值Tci及Tc2計算壁溫TP，計算熱流Φ，使得滿足下式Φ = - λ grad (Tci-Tc2)，其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)，以及
計算熱交換系數(shù)h，使得滿足下式h = Φ/(Tf-Tp) ο根據(jù)本發(fā)明方法的另一特征，在大致與點PpP2及Pf對齊的點P3進(jìn)行第三壁溫測量Tra，其中點P3比點P2更遠(yuǎn)離點PN，且其中溫度Tra為用作計算熱交換系數(shù)的邊界條件的溫度值。本發(fā)明是以通過有關(guān)訊號處理算法的原始傳感器的壁中及流體中精確局部溫度測量為基礎(chǔ)，所述的訊號處理算法計算一組物理量且通過此手段測定壁與流體間的局部實驗性熱交換系數(shù)。


本發(fā)明的其它特征及優(yōu)點將在參考附圖閱讀較佳實施例時顯現(xiàn)，在所述附圖中圖1代表根據(jù)本發(fā)明的用于測定熱交換系數(shù)裝置的溫度測量裝置形成部件的第一實施例橫的斷面圖；圖2代表根據(jù)本發(fā)明的用于測定熱交換系數(shù)裝置的溫度測量裝置形成部件的第二實施例的橫斷面圖；圖3代表根據(jù)本發(fā)明的用于測定熱交換系數(shù)裝置的概括圖；圖4代表通過根據(jù)本發(fā)明的用于測定熱交換系數(shù)裝置遞送的熱交換系數(shù)功率譜密度的一例。在所有附圖中，相同的組件符號指明相同的組件。
具體實施例方式本發(fā)明較佳實施例的詳細(xì)說明圖1代表根據(jù)本發(fā)明的溫度測量裝置的第一實施例的橫斷面圖。溫度測量裝置包括定位在壁P的二個溫度傳感器Dl、D2及定位在流體F中的溫度傳感器DF。溫度傳感器Dl與D2能夠分別在壁的點Pl與P2取樣溫度，及溫度傳感器DF能夠在流體的點Pf取樣溫度。溫度傳感器D1、D2及DF優(yōu)先地是熱電偶，其等的末端分別定位在點P1J2及PF。點P1J2及Pf優(yōu)先地在點IV在與接觸流體的壁表面垂直的直線上對齊。溫度傳感器Dl、D2及DF是定位在接近壁P的表面。溫度傳感器DF被對準(zhǔn)，使得其面向流體F的流S。存在于壁P中的熱電偶Dl與D2被附接于由二半月形體L1、L2所形成的圓柱體結(jié)構(gòu)中，且此結(jié)構(gòu)本身被附接于主體1中。點PpP2及Pf被對齊所在的垂直直線與由二半月形體Li、L2所形成的圓柱體結(jié)構(gòu)的軸重疊。熱電偶DF面向流被對齊以致于不干擾流。熱電偶D1、D2及DF的直徑一般在20μπι與200μπι間。熱電偶的直徑優(yōu)先地等于25μπι。一般來說，熱電偶DF的直徑是相對于欲達(dá)到的截止頻率來選擇。熱電偶DF是位于與壁P表面相隔距離df處，一般在ΙΟμπι與Icm間，舉例來說，2000μπι。最接近流體的熱電偶Dl是定位在與壁P的壁表面相隔距離dl處，一般是在10 μ m與3mm間，舉例來說， 300 μ m,且最遠(yuǎn)離流體的熱電偶D2是定位在與P的壁表面相隔距離d2處，一般在100 μ m 與Icm間，舉例來說，500 μ m。一般而言，存在于流體F中的熱電偶DF必須同時充分遠(yuǎn)離熱電偶Dl及D2，所述熱電偶是位在壁P內(nèi)，使得不干擾通過本發(fā)明方法執(zhí)行的熱流測量(參看下文中參照圖3描述的方法)，且充分靠近這些相同的熱電偶，使得在流體溫度測量與壁中溫度測量間可建立令人滿意的相關(guān)性。壁導(dǎo)熱系數(shù)是用于決定給予距離dl及d2的數(shù)值選擇的重要參數(shù)。此外，對于關(guān)于距離df及dl的本發(fā)明測量裝置的一給定結(jié)構(gòu)，已顯示出在通過熱電偶Df測量的流體溫度Tf與通過最靠近流體的熱電偶Dl測量的壁溫Ta間的相關(guān)性，必須高于一閾值，使得能獲得可靠的熱交換系數(shù)計算結(jié)果。這相關(guān)性閾值可等于例如80%。低于相關(guān)性閾值，關(guān)于所得結(jié)果的可靠性存有不確定性。有利地，本發(fā)明的方法包括一致性函數(shù)(在譜表示中的互相關(guān)函數(shù))的計算，其評估計算的交換系數(shù)值的不確定性。
主體1在壁P中的位置及因而熱電偶Dl與D2相對于流體F的位置，是利用墊片5 來機(jī)械地調(diào)整。一旦由兩個半月形體形成的圓柱體的與流體接觸表面，與壁P的內(nèi)表面同高，主體1就被附接到選定的位置。螺帽E幫助將主體1附接于壁P中。密封是藉由0形環(huán)3來達(dá)成。 在組合之前，主體1與兩個半月形體Ll及L2尚未聯(lián)結(jié)或定位于壁P中，且構(gòu)成兩個熱電偶Dl及D2的金屬線優(yōu)先地被數(shù)微米厚(無氧化鎂且無外鞘)的卡普頓(Kapton) 微細(xì)層覆蓋。熱電偶DF相反地是裝配有電絕緣外鞘的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。測量裝置的組合包括首先形成測量傳感器，以及其次將測量傳感器整合于管件中。形成測量傳感器包括下述步驟使構(gòu)成熱電偶Dl及D2的金屬線進(jìn)入形成于主體1內(nèi)的外鞘中，直到這些金屬線自形成于主體內(nèi)的開口腔顯露出為止；這些金屬線被定位在兩個半月形體中第一個的預(yù)先制作選定路線中；這些金屬線被附接到兩個半月形體中第一個的選定路線中(金屬線的本體是通過黏著劑點來附接且這些金屬的末端通過焊點被附接)；用于測量流體溫度的熱電偶DF被引入形成于主體1的極小直徑極的通孔內(nèi)，直至熱電偶的末端自主體1顯露出為止；第二半月形體是附接面向第一半月形體，使得能構(gòu)成供熱電偶Dl及D2插入其中的圓柱體；因而形成的圓柱體被引入形成于先前提及的主體1的開口腔內(nèi)通孔內(nèi)(舉例來說，通過間隙配合)，以致使由兩個半月形體形成的圓柱體與劃分開口腔開口的主體表面同尚；密封焊接是由兩個半月形體及主體1表面形成的接點所制作；熱電偶DF的密封是在其自形成于主體1的孔顯露出來的地方完成；熱電偶DF是在欲將其對齊以面向流體流的位置折起。在此階段，完成傳感器的結(jié)構(gòu)且完成將傳感器整合入管件壁中。傳感器的整合包括下述步驟傳感器被引入形成至此端的壁P的腔內(nèi)，傳感器的引入是伴隨與墊片5壁P接觸的定位，使得能調(diào)整傳感器欲與流體接觸表面的位置(因而定位傳感器欲與流體接觸表面，使得所述表面與壁P內(nèi)表面同高)；因為流體不可引入熱電偶焊接的區(qū)域，使用0形環(huán)3密封傳感器；以及例如使用螺帽E，將傳感器附接于壁P。
本發(fā)明的一優(yōu)點是提供具有極小量度的測量裝置，例如體積為0. 2cm3，其被整合入欲研究的管件中，由于這種熱非侵入性的整合，沒有對管件造成任何擾動。再者，也是有利地，測量裝置完整地定位在管件的一側(cè)上，因此促進(jìn)其整合。圖2代表根據(jù)本發(fā)明第二實施例的溫度測量裝置。除了先前參照圖1描述的組件之外，圖2的裝置包括位在壁P內(nèi)的另一個溫度傳感器D3。溫度傳感器D3的功能是遞送用作通過計算器C進(jìn)行計算的邊界條件的溫度(參照圖幻。接著將通過傳感器D3遞送的溫度當(dāng)成半無限壁的溫度。傳感器D3優(yōu)先地是熱電偶，其末端P3是與點PI、P2及PF對齊。 傳感器D3與傳感器Dl及D2同時被組合入測量裝置中。由于傳感器D3的功能，不同于其它傳感器，溫度傳感器D3并非優(yōu)先地定位在接近與流體接觸的壁P表面處。傳感器D3是以與流體相隔距離d3來定位，距離d3 —般為Imm與3cm之間，例如2. 5mm。圖3代表用于使用本發(fā)明方法測定熱交換系數(shù)的裝置的概括圖。用于測定熱交換系數(shù)的裝置包括根據(jù)本發(fā)明的溫度測量裝置DT，以及用于自通過裝置DT遞送的溫度測量值計算熱交換系數(shù)的計算器C。本發(fā)明的方法將首先參照根據(jù)圖1的測量裝置DT來描述，其中只有兩個溫度傳感器Dl及D2存在于壁P中。在一瞬時t，測量裝置DT提供通過傳感器DF遞送的流體溫度測量值TF，以及分別通過傳感器Dl及D2遞送的兩個壁溫測量值Ta及T。2。傳感器的位置使得所有溫度測量值大致都沿著相同的橫坐標(biāo)s取樣，其中橫坐標(biāo)s的軸大致與點Pp P2及Pf被對齊所在的垂直直線垂直。溫度TF(t，s)、Tcl(t，s) RTc2 (t, s)被傳送到計算器C。由溫度Tci (t，s) 及TC2(t，s)，計算器C計算壁溫Tp (t，s)及熱流Φα，s)。以已知方法，貝克特法(Becket method)計算壁溫Tp (t，s)，及通過下述方程式獲得熱流Φ (t，s)
<D(t，s)=_ λ grad (tcj( t，s) -Τ。2( t,s))
，其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)。接著使用下述方程式推導(dǎo)出熱交換系數(shù)(t，s)
「00741 h ( t,s)=-
隣」、，Tf(t, s) -Tp(t,s)在計算器C輸出中，算法因而能夠以時間與壁P橫坐標(biāo)s的被考慮點的函數(shù)提供流體溫度(平均與標(biāo)準(zhǔn)偏差)；在傳感器Dl區(qū)域的壁溫(平均與標(biāo)準(zhǔn)偏差)；在傳感器D2區(qū)域的壁溫(平均與標(biāo)準(zhǔn)偏差)；壁溫(平均與標(biāo)準(zhǔn)偏差)；熱交換系數(shù)h (平均與標(biāo)準(zhǔn)偏差)。在本發(fā)明的第一實施例中，其中只有兩個溫度傳感器Dl及D2被定位在壁P，通過當(dāng)作適用的每一個數(shù)值優(yōu)先測定關(guān)于溫度的邊界條件。通過計算器C遞送的數(shù)據(jù)優(yōu)先地呈現(xiàn)于頻域。因此，計算器C優(yōu)先地自交換系數(shù) h(t, s)的傅立葉變換式(Fourier transform)遞送功率譜密度DSP[h(v，s)]。本發(fā)明的方法接著對每一頻率間隔V，利用DSP [ Δ T (ν, s) ] = DSP [TF (t, s) -Tp (t, s) ] (ν, s)
計算下式
權(quán)利要求
1.一種裝置，用于在與流體(F)接觸的壁(P)表面的點1\測定流體(F)與壁(P)間熱交換系數(shù)，所述裝置的特征在于包括一溫度測量裝置(DT)，其包括兩個壁溫傳感器(D1，D2)，其中第一溫度傳感器(Dl)測量在AP1的壁第一溫度值Τα， 且第二溫度傳感器(擬)測量在點P2的壁第二溫度值Τ。2，點P2在與點處表面垂直的直線上大致與點P1對齊且其中點P1較靠近壁表面，以及一流體溫度傳感器(DF)，其測量在大致與點P1及P2對齊的點Pf的流體溫度值TF，以及一計算器(C)，其包括第一手段，用于自溫度值Ta及T。2計算壁溫度值Tp及由下述方程式獲得的熱流Φ Φ = - Agrad(Tci-Tc2), 其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)，以及第二手段，用于自流體溫度TF、溫度Tp及熱流Φ計算以下述形式表示的熱交換系數(shù) h = Φ / (Tf-Tp)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述溫度測量裝置包括一第三壁溫傳感器(D3)，其測量在大致與點Pp P2及Pf對齊的點P3的壁第三溫度Tc3,其中點P3比點P2更遠(yuǎn)離點IV
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于所述計算器(C)包括第三手段，用于自溫度值Τ。2及τ。3，計算通過下述方程式獲得的額外熱流φ3 = - λ grad (Tc2-Tc3)。
4.一種根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求的裝置，其特征在于每一溫度傳感器是一熱電偶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述熱電偶是定位在由多數(shù)個半月形體(Li，L2) 的總成所形成的圓柱體結(jié)構(gòu)中，其中與點處的壁表面垂直的直線是筆直圓柱體的中心軸，且其中筆直圓柱體與流體接觸的表面與壁表面同高。
6.一種方法，用于在與流體(F)接觸的壁(P)表面的點1\測定流體(F)與壁(P)間熱交換系數(shù)，所述方法的特征在于包括測量在點P1的壁第一溫度值τα，測量在點P2的壁第二溫度值τ。2，點P2在與點處表面垂直的直線上大致與點P1對齊， 其中點P1最靠近壁表面，測量大致與點P1及P2對齊的流體的點Pf的流體溫度值TF， 由溫度值Ta及Tc2計算壁平均溫度TP， 計算熱流φ，使得滿足下式 Φ = - Agrad(Tci-Tc2),其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)，以及計算熱交換系數(shù)h，使得滿足下式 h = Φ / (Tf-Tp)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于溫度Tp是通過貝克氏法(Beckmethod)測定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于第三壁溫測量1 是在大致與點Pp P2及Pf對齊的點P3進(jìn)行，且其中點P3比點P2更遠(yuǎn)離點Pn,且其中溫度Tc3為用作計算熱交換系數(shù)的邊界條件的溫度值。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于溫度Ira被用于計算流Φ3，使得滿足下式 φ3 =-入 grad (Tc2-Tc3)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于計算一致性函數(shù)，所述一致性函數(shù)估算熱交換系數(shù)計算值的不確定性。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于一種裝置，用于在與流體接觸的壁表面的點PN測定流體與壁間熱交換系數(shù)，所述裝置的特征在于包括一測量裝置(DT)，其測量所述壁的至少兩個溫度值TC1及TC2，及流體的溫度值TF，以及一計算器(C)，其包括(a)第一手段，用于自所述的溫度值TC1及TC2，計算壁溫度值TP及通過下述方程式獲得的熱流ΦΦ＝-λgrad(TC1-TC2)，其中λ為壁導(dǎo)熱系數(shù)，及(b)第二手段，用于自流體溫度TF、溫度TP及熱流Φ計算以下述形式表示的熱交換系數(shù)h＝Φ/(TF-TP)。
文檔編號G01K17/08GK102326071SQ200980157290
公開日2012年1月18日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者奧利維耶·布拉亞爾 申請人:原子能與替代能源委員會